DANE INFORMACYJNE

2. DANE INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: Zespół Szkół Zawodowych w Goleniowie • ID grupy: 97/3_MF_G2 • Opiekun: Robert Raźniak • Kompetencja: matematyczno-fizyczna • Temat projektowy: Laser- atomowe światło • Semestr/rok szkolny: semestr 4, rok szkolny 2011/2012

3. PLAN PREZENTACJI Budowa atomu Zjawiska emisji spontanicznej i wymuszonej Widmo wodoru Falista natura światła Analiza spektralna Absorpcja i emisja światła Inwersja obsadzeń Rodzaje laserów Budowa laserow Zastosowanie w przemyśle Zastosowanie w medycynie

4. BUDOWA ATOMU WEDŁUG THOMSONA Według Thomsona atom był wypełniony substancją o ładunku dodatnim, a w niej "zanurzone" były elektrony.

5. MODEL PLANETARNY BUDOWY ATOMU Taki model budowy atomu kłóci się jednak z zasadami fizyki klasycznej, gdyż ładunek poruszający się po linii krzywej emituje promieniowanie, czyli elektron traciłby energię.

6. . MODEL ATOMU WEDŁUG BOHRA Elektron krąży wokół jądra po orbicie kołowej, ale tylko takie orbity są dozwolone, na których moment pędu elektronu równy jest całkowitej wielokrotności stałej h. • Elektron krążąc po dozwolonej orbicie nie traci energii (nie emituje energii). Energia wysyłana jest, gdy elektron przeskakuje z wyższej orbity na niższą.

7. EMISJA WYMUSZONA Emisja wymuszona (indukowana) zachodzi jeżeli atom znajduje się w stanie wzbudzonym, to pod wpływem padającego na niego fotonu o odpowiedniej, rezonansowej energii przechodzi na niższy poziom energetyczny emitując swój własny foton. Emitowany foton jest spójny z fotonem wymuszającym.

8. EMISJA WYMUSZONA Zjawisko to zostało przewidziane przez Alberta Einsteina, który zauważył, że jeżeli oddziaływanie atomu z fotonem wywołuje pochłonięcie fotonu z prawdopodobieństwem zależnym od ilości fotonów o odpowiedniej energii, zaś emisja występuje czysto swobodnie, z prawdopodobieństwem zależnym wyłącznie od wielkości charakteryzujących wzbudzony poziom energetyczny, to atom wzbudzony musi emitować foton w wyniku oddziaływania z fotonem, z prawdopodobieństwem zależnym od ilości odpowiednich fotonów, by mogło dojść do równowagi termodynamicznej między pochłanianiem i emitowaniem fotonów.

9. Emisja wymuszona jest zjawiskiem odwrotnym do pochłaniania fotonów przez atomy (cząsteczki). Prawdopodobieństwo pochłonięcia fotonu przez atom w stanie o mniejszej energii jest takie samo jak prawdopodobieństwo emisji wymuszonej atomu wzbudzonego, dlatego o wielkości emisji/pochłaniania ośrodka decyduje różnica liczby atomów w stanie wzbudzonym i podstawowym. Zjawisko to jest podstawą działania lasera.

10. EMISJA SPONTANICZNA Emisja spontaniczna zachodzi wtedy, gdy elektrony znajdujące się na poziomach wzbudzonych w sposób spontaniczny wracają na niższe poziomy energetyczne, emitując przy tym fotony.Zjawisko występuje powszechnie i odpowiada za niemal każde świecenie ciał, np. gazów rozgrzanych, wzbudzonych atomów, ciał ciekłych i stałych, a także urządzeń elektronicznych diodę elektroluminescencyjną (LED). Inne sposoby emisji: emisji wymuszonej i promieniowania cząstek obdarzonych ładunkiem podczas hamowania lub przyspieszania

11. WIDMO ŚWIATŁA WODORU Bohr analizował promieniowanie emitowane przez atomy pobudzone bodźcami fizycznymi takimi, jak: wysoka temperatura lub łuk elektryczny. Wzbudzone w ten sposób atomy wysyłają promieniowanie, które można zobaczyć przy pomocy metod analizy spektroskopowej. Promieniowanie jest charakterystyczne dla danego rodzaju atomów. Nosi nazwę widma i składa się z pasm promieniowania o określonej długości fali, co w świetle widzialnym można zobaczyć jako oddzielne pasma o różnej barwie.

12. WIDMO ŚWIATŁA WODORU Na podstawie widma atomu wodoru można stwierdzić, że wzbudzony atom wysyła jedynie pewne długości światła. Widmo to nie jest ciągłe, jest dyskretne - przyjmuje jedynie niektóre wartości długości fal. Bohr dostrzegł, że stosowanie dotychczasowej teorii elektrodynamiki C. Maxwella nie pozwala wytłumaczyć nieciągłości widma atomowego. Do tej pory bowiem, teoria budowy atomu dopuszczała, by elektrony poruszały się wokół atomu na orbitach o dowolnych promieniach.

13. WIDMO ŚWIATŁA WODORU Zatem przejście elektronu z jednej na inną orbitę prowadziłaby do emisji lub absorpcji promieniowania o dowolnej długości fali tworząc widmo ciągłe. Dodatkowo, zgodnie z zasadami klasycznej elektrodynamiki, elektrony musiałyby tracić energię, co z kolei powodowałoby zmniejszanie się promienia orbity elektronu i w efekcie jego spadek na powierzchnię jądra. Atomy takie musiałyby być nietrwałe.

14. FALISTA NATURA ŚWIATŁA Zgodnie z teorią fal zaproponowane przez Christiaan Huygens, światło jest uważany za emitowanych w serii fale we wszystkich kierunkach. Następujące właściwości mogą być zdefiniowane dla światła biorąc pod uwagę charakter fali. Długość fali (λ): odległość między dwoma kolejnymi punktami podobne na fali nazywa się długości fali. To jest oznaczana przez λ. Jednostki: cm, Angstremów (o), m nano (nm), mikronów milli (mμ) itp. Uwaga: 1 A o = 10 -8 cm. 1 nm = 10 -9 m = 10 -7 cm Częstotliwości (ν): liczba drgań wykonane przez cząstkę w jednostce czasu nazywa częstotliwości. To jest oznaczona "ν". Jednostki: cykli na sekundę = Hertz = s -1. Velocity (c): Velocity jest definiowana jako odległość przebyta przez falę w jednostce czasu. To jest oznaczana przez "c". Prędkość światła = c = 3,0 x 10 8 m.sec -1 = 3,0 x 10 10 cm.sec -1

15. FALISTA NATURA ŚWIATŁA Uwaga: Dla wszystkich rodzajów promieniowania elektromagnetycznego, prędkość jest wartością stałą. Zależność między prędkością (c), długość fali (λ) i częstotliwości (ν) może być udzielona przez następujące równanie. prędkość = częstotliwość x długość fali c = νλ Liczba Wave ( ): Liczba fal rozmieszczonych w długości jednego centymetra nazywa się liczbą falową. To jest oznaczona . Jest to odwrotność długości fali λ. Jednostki: cm-1, m -1 Amplituda: odległość od linii środkowej na szczyt lub koryta nazywa się amplituda fali. Jest to zazwyczaj oznaczone "A" (zmienna). Amplituda jest miarą intensywności lub jasności światła promieniowania.

16. SPEKTRALNA ANALIZA Jakościowa i ilościowa analiza widm emisyjnych i absorpcyjnych promieniowania elektromagnetycznego wysyłanego lub pochłanianego przez badaną substancję; celem a.s. jest badanie składu chem. bądź ilości poszczególnych składników badanej substancji; podstawą jakościowej a.s. jest występowanie charakterystycznych dla poszczególnych pierwiastków oraz związków chem. linii lub pasm w ich widmach. Pomiar natężenia promieniowania o określonej dł. fali pozwala natomiast wyznaczyć skład ilościowy badanej substancji. Metody wykorzystujące widma emisyjne substancji noszą nazwę emisyjnych, a te, w których bada się widma absorpcyjne - absorpcyjnych.

17. SPEKTRALNA ANALIZA S.a. atomowa wykorzystuje metody emisyjne i absorpcyjne; substancję badaną atomizuje się przez ogrzanie do wysokiej temp. (np. w łuku elektr., iskrze elektr., itp.), a następnie analizuje się jej widmo; s.a. atomowa znalazła szerokie zastosowanie w chemii, biologii, rolnictwie, medycynie, astrofizyce, technice, ochronie środowiska, kryminalistyce i wielu innych dziedzinach ze względu na szybkość analiz, dokładność, a także na niewielką ilość substancji potrzebnej do analizy (dzięki temu można wykrywać nawet śladowe ilości danej substancji); s.a. cząsteczkowa wykorzystuje gł. metody absorpcyjne oraz rozpraszanie ramanowskie; stosuje się ją zwł. do materiałów ciekłych lub roztworów, a szczególnie przydatna jest do badania związków org.

18. SPEKTRALNA ANALIZA W obszarze widzialnym s.a. cząsteczkowa pozwala oznaczyć ilościowo większość pierwiastków w materiałach metalurgicznych, geologicznych, biologicznych, środkach spoż. i in.; w obszarze nadfioletowym służy ona do oznaczania prostych mieszanin i związków chem., a w obszarze podczerwonym - do badania struktury związków org.; metody a.s. oparte na badaniu widm ramanowskich służą gł. do identyfikacji substancji oraz do określania ich struktury.

19. ABSORBCJA I EMISJA ŚWIATŁA Foton, oddziaływując z systemem dwupoziomowym, może być zaabsorbowany pobudzając elektron do poziomu E2. Proces ten zwiazany jest z fotodetekcją. Prędkość tego typu spontanicznego przejścia jest proporcjonalna do gęstości nośników na poziomie podstawowym (N1), gęstości widmowej rph(n) i współczynnika Einsteina absorpcji Babs. Inna sytuacja występuje, gdy początkowo elektron znajduje się na poziomie wzbudzonym. W tym przypadku możliwe są dwa procesy powrotu do stanu podstawowego : emisja spontaniczna i stymulowana. Emisja spontaniczna jest procesem losowym i jest podstawowym procesem występującym w diodach elektroluminescencyjnych. Prędkość tego procesu jest proporcjonalna do gęstości elektronów na poziomie wzbudzonym oraz współczynnika Einstein emisji spontanicznej.

20. INWERSJA OBSADZEŃ Inwersja obsadzeń jest to rozkład energii cząstek, w którym obserwuje się nadmiar cząstek w stanach o wyższych energiach. Inwersja obsadzeń jest warunkiem niezbędnym zaistnienia akcji laserowej.

21. WIĄZKA LASEROWA

22. Rodzaje laserów

23. PODZIAŁ LASERÓW W ZALEŻNOŚCI OD OŚRODKA CZYNNEGO: Ośrodek czynny decyduje o najważniejszych parametrach lasera, określa długość emitowanej fali, jej moc, sposób pompowania, możliwe zastosowania lasera. W nawiasach podano długości fal emitowanego światła. 1. Lasery gazowe : • laser helowo-neonowy (543 nm lub 633 nm) • laser argonowy (458 nm, 488 nm lub 514,5 nm) • laser azotowy (337,1 nm) • laser kryptonowy (jonowy 647,1 nm, 676,4 nm) • laser na dwutlenku węgla (10,6 μm) • laser na tlenku węgla

24. 2. Lasery na ciele stałym : • laser rubinowy (694,3 nm) • laser neodymowy na szkle • laser neodymowy na YAG-u (Nd:YAG) • laser erbowy na YAG-u (Er:YAG) (1645 nm) • laser tulowy na YAG-u (Tm:YAG) (2015 nm) • laser holmowy na YAG-u (Ho:YAG) (2090 nm) • laser tytanowy na szafirze (Ti:szafir) • laser na centrach barwnych 3. Lasery na cieczy • lasery barwnikowe – ośrodkiem czynnym są barwniki rozpuszczone w nieaktywnym ośrodku przezroczystym, np. rodamina

25. 4. Lasery półprzewodnikowe • złączowe (diody laserowe) • laser na materiale objętościowym • laser na studniach kwantowych • laser na kropkach kwantowych • bezzłączowe • kwantowy laser kaskadowy

26. PODZIAŁ LASERÓW W ZALEŻNOŚCI OD ZASTOSOWAŃ • Specjalne lasery gazowe wytwarzające ultrafiolet o możliwie jak najmniejszej długości fali używane do produkcji półprzewodnikowych układów scalonych: • F_2 (157 nm) • ArF (193 nm) • KrCl (222 nm) • XeCl (308 nm) • XeF (351 nm)

27. 2. Lasery używane w stomatologii i dermatologii, w tym do usuwania tatuaży, znamion oraz włosów: • laser rubinowy (694 nm) • aleksandrytowy (755 nm) • pulsacyjna matryca diodowa (810 nm) • Nd:YAG (1064 nm) • Ho:YAG (2090 nm) • Er:YAG (2940 nm)

28. 3. Półprzewodnikowe diody laserowe: • małej mocy – używane we wskaźnikach laserowych, drukarkach laserowych, CD/DVD • dużej mocy – używane w przemyśle do cięcia i spawania, występują o mocach do 10 kW

29. DZIAŁANIE LASERA Działanie lasera opiera się na dwóch zjawiskach: inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej. Emisja wymuszona zachodzi gdy atom wzbudzony zderza się z fotonem o takiej częstotliwości, że jego energia kwantu jest równa różnicy energii poziomów między stanem wzbudzonym a podstawowym. Foton uderzający nie ulega pochłonięciu, ale przyspiesza przejście atomu ze stanu wzbudzonego do podstawowego i dlatego z atomu wylatują w tym samym kierunku dwa spójne, to znaczy zgodne w fazie fotony o tej samej energii więc i częstotliwości. Choć proces taki Pan Einstein przewidział już w 1917r. pierwszy laser, zbudował dopiero w 1960 roku T. Maiman.

31. Laser jest generatorem światła to znaczy, że zanim promień świetlny opuści laser zostaje wzmocniony. Niewielki własny sygnał obiega urządzenie tam i z powrotem, zwiększając coraz bardziej swoją energię. Na wyjściu urządzenia pewna część wzmocnionego sygnału opuszcza je, pozostała jest zawracana (przez tzw. układ sprzężenia zwrotnego) w kierunku wejścia. I tak dzieje się przez cały czas pracy: wzmocnienie, podział zawracanie, wzmocnienie, podział, itd.

32. STAN INWERSJI Jest to stan, w którym na górnym poziomie przejścia laserowego jest znacznie więcej centrów aktywnych niż na poziomie dolnym; energię układu w laserach osiąga się poprzez tzw. pompowanie optyczne (dostarczenie atomowi kwantu (fotonu) światła) lub za pomocą prądu elektrycznego.

33. BUDOWA LASERA Laser składa się z trzech zasadniczych elementów, którymi są: 1) Ośrodek aktywny, czyli zespół atomów, jonów czy cząsteczek. 2) Rezonator, czyli układ optyczny, który sprzęga promieniowanie charakterystyczne dla danego ośrodka z tym ośrodkiem. W najprostszym przypadku rezonator stanowią 2 płaskie, doskonale odbijające zwierciadła, które są ustawione idealnie równolegle do siebie w odległości , (n jest liczbą całkowitą, jest długością fali światła laserowego) umożliwiającej powstanie w nim fal stojących. Częstości tych fal są częstościami modów podłużnych lasera. Liczba modów zależy od szerokości dopplerowskiej linii widmowej, dla której zachodzi przejście laserowe w ośrodku aktywnym. Odległość w skali częstości między sąsiednimi modami wynosi , gdzie c jest prędkością światła w próżni. Zatem wzmocnieniu mogą ulec tylko te mody (drgania o określonej częstości), które mieszczą się w profilu linii emisyjnej. 3) Układ pompujący, czyli układ, który wytwarza inwersję obsadzeń między stanami zaangażowanymi w przejście laserowe. Inwersja obsadzeń tych stanów jest warunkiem koniecznym do uzyskania wzmocnienia promieniowania.

34. Promieniowanie to charakteryzuje się spójnością przestrzenną i czasową oraz dużym natężeniem; długość fali promieniowania zależy od właściwości rezonatora i ośrodka czynnego; moc promieniowania wynosi: przy generacji ciągłej — od kilku miliwatów do setek kilowatów, przy generacji impulsowej — od kilku watów do kilku terawatów. Lasery klasyfikuje się zwykle wg rodzajów osnowy.

35. Rubinjest to kryształ tlenku glinu (AL2O3), w którym niektóre atomy glinu są zastąpione atomami chromu. Atomy chromu nadają rubinowi charakterystyczną czerwoną barwę ponieważ absorbują one żółto-zieloną część widma. Rolę aktywną a laserze rubinowym spełniają tylko jony chromu. Monokryształ sztucznego rubinu szlifowany jest do postaci cylindra o średnicy 5 mm i długości 5 do 10 cm, którego podstawy są polerowane płasko, równolegle do siebie. Jedna z tych powierzchni jest pokryta warstwą odbijającą o blisko stuprocentowym współczynniku odbicia, druga ma odbicie około 50%. Tak przygotowany kryształ umieszczony jest w lampie błyskowej.

36. POMPOWANIE OPTYCZNE Ksenonowa lampa błyskowa powoduje wzbudzenie elektronów z poziomu E1 w stan E2, który tworzy pasmo energetyczne o sporej szerokości dlatego łatwo fotony z kość szerokiego przedziału mogą wzbudzać elektrony. Średni czas przebywania na poziomie E2 jestkrótki i wynosi jedynie 0,05ms. Elektrony wracają więc do stanów niższych. Wiele z nich przechodzi bezpromieniście (energialaser rubinowy zostaje przekazana sieci krystalicznej i dlatego taki laser musi być chłodzony) na poziom E3. Średni czas życia na poziomie E3 jest dość długi wynosi około 3ms i dlatego nazywamy go metastabilnym. Oświetlenie więc rubinu światłem białym powoduje masowe przechodzenie elektronów do stanu E3. Proces taki nazywamy pompowaniem optycznym. Następuje inwersja obsadzeń.

37. LASER CZTEROPOZIOMOWY Światło wysyłane przez laser rubinowy ma kolor czerwony, odpowiadający długości fali A = 694,3 nm. Laser rubinowy pracuje impulsowo. Obecnie częściej buduje się lasery oparte na innych materiałach. Przykładem jest laser neodymowy gdzie szkło, kryształy fluorku wapnia lub inne materiały domieszkowane są neodymem. W pracy istotne są cztery poziomy energetyczne. Akcja laserowa zachodzi wtedy między poziomami E3 i E4 i uzyskanie odwrócenia obsadzeń jest znacznie łatwiejsze, a chłodzenie ośrodka czynnego ciekłym azotem pozwala na uzyskanie pracy ciągłej. Laser neodymowy na podłożu YAG (granat itrowo-glinowy) pozwala na uzyskanie w impulsie dużych mocy. W podobny sposób jak laser neodymowy działają lasery, w których w różnych osnowach krystalicznych centami są jony metali ziem rzadkich.

38. BUDOWA Laser rubinowy ma prostą konstrukcję, typową dla laserów w których ośrodkiem czynnym jest ciało stałe. Substancją czynną jest kryształ rubinu ukształtowany w walec. Powierzchnie czołowe walca są dokładnie oszlifowane i przepuszczają światło do luster lub też są pokryte warstwą odbijającą i same stanowią lustra. Laser ten jest pompowany optycznie lampą ksenonową przez boczne powierzchnie.

40. WYGLĄD LASERA

41. GRAFICZNE PRZEDSTAWIENIA ZASADY DZIAŁANIA LASERA

42. Laser w przemyśle

44. W przemyśle laser przyniósł rewolucyjne zmiany w technologii obróbki wielu materiałów, która dzięki jego użyciu stała się szybsza, bardziej precyzyjna i dużo wygodniejsza od metod tradycyjnych. Dodatkowym atutem stosowania laserów w przemyśle jest łatwość jego automatyzacji. Problemem jest tylko ciągle wysoki koszt inwestycyjny.

45. GŁÓWNE ZASTOSOWANIE LASERA • cięcia • spawania • znakowania • drążenia otworów • obróbki powierzchniowej • hartowania • wzbogacania warstwy przypowierzchniowej w składniki stopowe • nakładania warstwy przypowierzchniowej (natapianie)

46. CIĘCIA LASEROWE Jest to jedna z najlepszych metod termicznego dzielenia materiału, zarówno o wielkich powierzchniach, jak i maleńkich wymagających wielkiej precyzji. Zaletą cięcia laserowego jest przede wszystkim dokładność wykonania i brak konieczności dodatkowej obróbki ciętej powierzchni, przed kolejnym etapem jej przerobu. Taki efekt uzyskuje się, dzięki bardzo dokładnemu prowadzeniu lasera, teraz już najczęściej przy pomocy komputera - robota, oraz stosowaniu najlepszej jakości maszyn tnących o dużej odporności na wstrząsy i drgania. Istotą cięcia laserowego jest to, że punkt po punkcie na powierzchni ciętego materiału wprowadza się duże dawki energii w postaci wysokoenergetycznego strumienia tnącego. Powoduje to w zależności od stosowanej metody cięcia: topienie, spalanie lub też sublimację usuwanej części materiału. Procesy te wywoływane zastosowaniem lasera, najczęściej wymagają również obecności bardzo czystego gazu technicznego. Stosuje się głównie tlen, mieszaniny tlenu, azot i argon. Gazy te w zależności od metody cięcia mogą spełniać następujące funkcje:

47. FUNKCJE CIĘCIA LASEROWEGO • Umożliwiają spalanie wzdłuż krawędzi cięcia • Powodują wydmuchanie materiału stopionego przez laser w czasie cięcia. W tej metodzie stosuje się jednak gaz obojętny, np. azot. • Umożliwiają odparowanie w swojej atmosferze stopionego przez laser materiału.

48. INNE METODY CIĘCIA LASEROWEGO • Generowanie pęknięć technicznych • Zarysowanie • Tzw. "zimne cięcie"- stosuje się tę metodę do tworzyw sztucznych. Wymaga ona jednak użycia lasera ekscymerowego, który niszczy wiązania cząsteczkowe wzdłuż linii cięcia. Jest to najbardziej energochłonna metoda cięcia laserowego - 100pkt., czyli "max" w skali porównawczej energochłonności.

49. SPAWANIE LASEROWE Spawanie laserowe polega na stapianiu obszaru styku łączonych przedmiotów ciepłem otrzymanym w wyniku doprowadzenia do tego obszaru skoncentrowanej wiązki światła koherentnego, o bardzo dużej gęstości mocy, ok. l02 do 1011 W/mm2 . Spawanie odbywać się może techniką z jeziorkiem spoiny, jak w klasycznym spawaniu łukowym, lub techniką z pełnym przetopieniem złącza, w jednym przejściu lub wielowarstwowo, bez lub z materiałem dodatkowym, czyli techniką z oczkiem spoiny. Bardzo duże gęstości mocy wiązki laserowej zapewniają, że energie liniowe spawania są na poziomie minimalnych energii wymaganych do stopienia złącza, a strefa wpływu ciepła i strefa stopienia są bardzo wąskie. Jednocześnie odkształcenie złączy jest tak małe, że spawane przedmioty mogą być wykonywane na gotowe, a po spawaniu nie jest wymagana dodatkowa obróbka mechaniczna. Wyróżnia się lasery małej mocy, które są wykorzystywane w elektronice do spawania punktowego oraz lasery dużej mocy (powyżej 1,5 kW) pozwalające spawać z oczkiem. W przypadku spawania laserem nie jest potrzebna próżnia, ponieważ wiązka bez przeszkód przenika przez powietrze. Przez to spoina jest narażona na zanieczyszczenia i wymagane jest stosowanie gazów ochronnych. Do spawania używane są zarówno lasery CO2 jak i Nd:YAG.